l a n o i s fe o r P o c i n c é T ma a r g o r P FÍ SIC A Calor II: mezclas y cambios de fase Nº Ejercicios PSU 1. Un grupo de alumnos desea medir el tiempo que demora en evaporarse por completo una masa MC de 100 gramos de agua a 20 [ºC], para lo cual diseñan y realizan una experiencia práctica en el laboratorio, registrando los diferentes pasos seguidos. Lamentablemente, el alumno encargado de anotar las observaciones no las registra todas y, además, lo hace de forma desordenada. Las siguientes afirmaciones corresponden a las observaciones anotadas por el distraído alumno durante la experiencia. 1. 2. 3. 4. 5. 6. “100 gramos de agua demoran 15 minutos en evaporarse completamente”. “Se detiene el cronómetro y se registra el tiempo”. “Se coloca el recipiente con agua sobre la llama del mechero”. “La temperatura inicial del agua es de 20 [°C]”. “Se comienza a medir el tiempo con el cronómetro”. “Se evapora completamente el agua”. Considerando que los alumnos siguieron estrictamente el orden de las etapas del método científico, y que el registro anterior no contiene todos los pasos seguidos, ¿cuál de las siguientes alternativas muestra la secuencia correcta en la que los alumnos realizaron su experimento? 1-2-3-4-5-6 4-3-5-6-2-1 5-4-3-6-2-1 1-4-5-3-6-2 1-4-3-5-6-2 GUICTC010TC32-A16V1 A) B) C) D) E) Cpech 1 FÍSICA 2. Un día muy frío de invierno la casa de Alberto se encontraba agradablemente tibia, debido al MC funcionamiento de una estufa. En cierto momento Alberto sale de su casa por unos minutos, dejando la puerta de entrada completamente abierta; al volver, se percata de que su casa ya no se encuentra tibia y que está tan fría como lo está el exterior. Con respecto al motivo por el cual la casa de Alberto se enfrió, es correcto afirmar que A) B) C) D) E) al dejar la puerta abierta entró el frío del exterior a la casa, enfriándola hasta que las temperaturas en el interior y el exterior se igualaron. disminuyó la capacidad calórica de la casa e igualó la capacidad calórica del ambiente, por lo que disminuyó la temperatura en su interior. la estufa era muy pequeña, por lo cual el calor escapó por la puerta hacia el exterior; si la estufa hubiera sido de mayor tamaño, por equilibrio térmico, la casa se habría mantenido tibia. el calor específico del aire al interior de la casa disminuyó, igualándose al calor específico del aire de la atmósfera helada. el calor escapó por la puerta hacia la atmósfera, hasta que las temperaturas en el interior y el exterior se igualaron. El tamaño de la estufa no tuvo importancia en el hecho. 3. Considerando el punto de fusión del hielo en 0 [ºC] y el de ebullición del agua en 100 [ºC], es MC correcto afirmar que es posible tener agua en estado líquido a I) II) III) 0 [ºC] 100 [ºC] 120 [ºC] A) B) C) D) E) Solo I Solo II Solo III Solo I y II I, II y III 4. En un experimento se tienen dos habitaciones idénticas que se encuentran a 15 [°C]. En una de MC ellas hay un recipiente P, con 200 gramos de agua a 50 [°C]. En la otra habitación hay un recipiente Q, con 200 gramos de agua a 20 [°C]. Considerando que el agua en ambos recipientes disminuyó su temperatura de acuerdo a la ley de enfriamiento de Newton, ¿cuáles de los siguientes gráficos de temperatura T, en función del tiempo t, corresponden a las curvas de enfriamiento correctas del agua en los recipientes P y Q, respectivamente? T [ºC] T [ºC] 50 T [ºC] T [ºC] 50 20 0 A) B) C) 2 2 Cpech 1y2 1y4 2y3 1) t 15 0 15 2) t D) E) 15 0 3y2 4y1 3) t 0 4) t GUÍA 5. Bajo determinadas condiciones, y en el interior de un recipiente herméticamente cerrado, se MC aplica calor a un cuerpo que se encuentra en estado sólido logrando que sublime, es decir, que pase al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Entre las características del estado gaseoso está que el material puede fluir libremente, ocupando completamente el volumen que lo contiene. Respecto de esta situación, ¿cuál de las siguientes alternativas es correcta? A) B) C) D) E) La cantidad de partículas del material aumentó después de experimentar sublimación. La cantidad de partículas del material disminuyó después de experimentar sublimación. La distancia entre las partículas del material aumentó después de la sublimación. La distancia entre las partículas del material disminuyó después de la sublimación. Las partículas del material cambiaron sus características químicas después de la sublimación. 6. Max tiene tres cuerpos, A, B y C, a temperatura ambiente y del mismo material, pero de distinta MTP masa. Durante un experimento los pone en el interior de un horno a temperatura constante, los deja suficiente tiempo para que alcancen el equilibrio térmico y luego los saca. Al respecto, es correcto afirmar que I) II) III) inmediatamente después de sacarlos, al medir la temperatura de los cuerpos simultáneamente y con un mismo tipo de termómetro, los tres marcan lo mismo. dentro del horno los cuerpos absorbieron la misma cantidad de calor. encontrándose fuera del horno los cuerpos experimentan una disminución de su volumen. A) B) C) D) E) Solo I Solo II Solo III Solo I y II Solo I y III 7. La figura muestra tres cubos metálicos idénticos, con temperaturas iniciales 2T, 6T y 10T, MC respectivamente, cada uno aislado térmicamente de los demás. A B C 2T 6T 10T Si se ponen en contacto el cubo A con el cubo B, se separan, y luego se ponen en contacto el cubo B con el C, ¿cuál es la temperatura final del cubo B, si todas las interacciones se produjeron hasta alcanzar el equilibrio térmico y no existieron pérdidas de calor en el sistema? A) B) C) D) E) 4T 6T 7T 8T 18T Cpech 3 FÍSICA 8. Para una determinada línea de producción, en una fábrica se encuentra la instalación que muestra MTP la figura. En ella se ingresa agua líquida y se desarrollan tres procesos en las cámaras A, B y C, respectivamente, los que se llevan a cabo en la dirección indicada por las flechas. Agua líquida A C Hielo Vapor Agua líquida B Si se sabe que en cada cámara se puede producir solo un cambio de fase, ¿cuál(es) de las siguientes proposiciones es (son) correcta(s)? I) II) III) En la cámara A se le extrae calor al material. En la cámara B se produce fusión. En la cámara C se produce vaporización. A) B) C) D) E) Solo I Solo I y II Solo I y III Solo II y III I, II y III cal cal y el calor específico del agua es 1 g ºC , ¿qué g MC cantidad de calor se debe suministrar a 100 [g] de hielo a 0 [ºC] para que se transformen en agua 9. Si el calor latente de fusión del hielo es 80 a 20 [ºC]? A) B) C) D) E) 4 4 Cpech 2.000 [cal] 8.000 [cal] 10.000 [cal] 12.000 [cal] 20.000 [cal] GUÍA 10. Un trozo de azufre de 200 [g] se encuentra a una temperatura de 119 [ºC]. Si se le suministran MC 650 [cal] y el punto de fusión del azufre es 119 [ºC], ¿cuál es la cantidad de masa que se logra fundir? (Considere que el azufre posee un calor latente de fusión de 13 cal). g A) 25 [g] B) 50 [g] C) 60 [g] D) 100 [g] E) 200 [g] 11. Para el problema anterior, la temperatura del azufre que permanece en estado sólido, MC inmediatamente después del proceso de fusión, es A) B) C) D) E) 100 [ºC] 113 [ºC] 119 [ºC] 130 [ºC] 132 [ºC] 12. Respecto del concepto de “calor específico”, se afirma que MTP I) es una propiedad de los cuerpos. II) su valor depende de la masa del cuerpo. III) es característica de cada material. Es (son) correcta(s) A) B) C) D) E) solo I. solo II. solo III. solo I y II. solo II y III. 13. Un recipiente de capacidad térmica despreciable contiene 100 [g] de agua a una temperatura MC de 20 [ºC]. Si al interior del mismo se vierten 200 [g] de agua a 80 [ºC], la temperatura final de la mezcla es A) B) C) D) E) 40 [ºC] 50 [ºC] 60 [ºC] 70 [ºC] 80 [ºC] Cpech 5 FÍSICA Enunciado para las preguntas 14, 15 y 16. Una sustancia, inicialmente en fase líquida, recibe calor Q y su temperatura varía según el gráfico adjunto. De acuerdo a la información contenida en el gráfico, conteste las siguientes preguntas. T [ºC] 120 60 400 800 1.000 Q [cal] 14. La temperatura de ebullición del líquido es MC A) 60 [ºC] B) 120 [ºC] C) 400 [ºC] D) 800 [ºC] E) 1.000 [ºC] 15. La cantidad de calor que el líquido absorbió durante el cambio de fase es MC A) 60 [cal] B) 120 [cal] C) 400 [cal] D) 800 [cal] E) 1.000 [cal] 16. Sabiendo que la masa del líquido es 20 [g], su calor latente de vaporización es MC cal A) 3 g B) C) D) E) 6 6 Cpech 6 cal g cal g cal 40 g 20 cal 50 g GUÍA 17. Se tienen dos cuerpos, E y F, del mismo material, a la misma temperatura, y de masas tales que MTP cumplen con la relación mF = 2mE. Respecto de lo anterior, es correcto afirmar que I) II) III) luego de aplicarles la misma cantidad de calor, la temperatura del cuerpo F es menor que la del cuerpo E. ambos cuerpos poseen la misma capacidad calórica. el calor específico para ambos cuerpos es el mismo. A) B) C) D) E) Solo I Solo I y II Solo I y III Solo II y III I, II y III 18. Considerando para el agua a 1 atmósfera: MTP Calor latente de fusión: 80 cal g cal Calor latente de vaporización: 540 g Calor específico: 1 cal g ºC Es correcto afirmar que I) III) para una determinada masa, y estando en su correspondiente punto crítico, se necesita entregar una mayor cantidad de calor para transformar el hielo en agua que para transformar el agua en vapor. para que una masa de agua de 1 [g] eleve su temperatura en 1 [ºC], se requiere entregarle 1 [cal]. para que 1 [g] de agua líquida a 0 [ºC] se transforme en hielo, se requiere quitarle 80 [cal] . A) B) C) D) E) Solo I Solo I y II Solo I y III Solo II y III I, II y III II) Cpech 7 FÍSICA 19. Cierto material fue sometido a un proceso desconocido, durante el cual se obtuvo el siguiente MC gráfico de comportamiento de la temperatura en el tiempo. T [ºC] Q R P t0 t1 t2 t3 t4 t5 t [s] Si se sabe que el material en todo momento estuvo absorbiendo o cediendo calor, es correcto afirmar que I) II) III) entre t0 y t1 el material se encuentra completamente en estado sólido, y entre t3 y t4 permanece completamente en estado líquido. en t5 el material se encuentra en estado gaseoso. el punto crítico de fusión del material es R [ºC]. A) B) C) D) E) Solo I Solo II Solo III Solo I y II Solo II y III 20. Respecto de los diferentes procesos de cambio de fase, ¿cuál de las siguientes alternativas es MTP INCORRECTA? A) B) C) D) E) 8 8 Cpech En el proceso de sublimación el material absorbe energía. En general, al experimentar fusión la distancia relativa entre las partículas de un material aumenta. Durante la condensación el material absorbe energía. Para experimentar solidificación el material debe encontrarse a una temperatura específica. Un gas puede convertirse en un sólido sin pasar por el estado líquido. GUÍA Tabla de corrección Ítem Alternativa Habilidad 1 Comprensión 2 Comprensión 3 Comprensión 4 Comprensión 5 Comprensión 6 Comprensión 7 Aplicación 8 Comprensión 9 Aplicación 10 Aplicación 11 Comprensión 12 Comprensión 13 Aplicación 14 Comprensión 15 Comprensión 16 Aplicación 17 Aplicación 18 Comprensión 19 ASE 20 Comprensión Cpech 9 FÍSICA Resumen de contenidos Capacidad calórica: cantidad de calor que un cuerpo debe absorber o ceder para elevar o disminuir, respectivamente, su temperatura en 1 [ºC]. Mientras mayor sea la capacidad calórica del cuerpo, más costará calentarlo o enfriarlo. La capacidad calórica se designa por C, es característica de cada cuerpo y se calcula como C= Q T Calor específico: capacidad calórica por unidad de masa. Es característico de cada material y se calcula como Q C c= = Q=m c T m T m Observación El calor específico del agua es 1 cal g ºC Observación Que un material tenga mayor calor específico que otro significa que, para una misma cantidad de masa, necesita absorber más calor para experimentar el mismo aumento de temperatura. De manera similar, necesitará ceder una mayor cantidad de calor para disminuir su temperatura en la misma cantidad, comparado con una sustancia de menor calor específico. Equilibrio térmico Al aislar térmicamente dos cuerpos a distinta temperatura, fluirá calor desde el cuerpo más caliente (quien cederá calor) hacia el cuerpo más frío (quien absorberá calor) hasta que sus temperaturas se igualen; cuando esto suceda, el sistema se encontrará en equilibrio térmico. Tº calor Cuerpo a mayor Tº 10 10 Cpech Tº Cuerpo a menor Tº GUÍA Ley de enfriamiento de Newton La ley de enfriamiento de Newton expresa que “la temperatura de un cuerpo cambia a una velocidad proporcional a la diferencia de temperatura existente entre el medio externo y el cuerpo”. Esto significa que un cuerpo se irá enfriando (o calentando) cada vez más lentamente, en la medida que su temperatura se acerque más a la temperatura del ambiente. Temperatura Ti T1 T2 T3 Ta La curva de la gráfica muestra que, a medida que transcurre el tiempo, la rapidez de enfriamiento del cuerpo disminuye, pues la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el ambiente es cada vez menor. Esta ley también es válida para el calentamiento del cuerpo. tiempo t1 t2 t3 Donde Ti es la temperatura inicial del cuerpo y Ta es la temperatura del ambiente. Principio calorimétrico de mezclas Al mezclar dos materiales a distinta temperatura en un sistema en donde el calor no pueda entrar ni escaparse hacia el exterior (sistema adiabático), todo el calor cedido por el material a mayor temperatura será completamente absorbido por aquel a menor temperatura, hasta alcanzar el equilibrio térmico. Q1 = m1 c1 Q2 = m2 c2 T1 T2 Qabsorbido = Qcedido Qabsorbido + Qcedido = 0 m1 c1 (Teq T1) + m2 c2 (Teq T2) = 0 Cpech 11 FÍSICA Cambios de fase Absorben energía Sublimación Fusión Vaporización Sólido Gaseoso Líquido Solidificación Condensación Sublimación inversa Liberan energía • Leyes del cambio de fase – Calor latente de cambio de fase 1. A una determinada presión atmosférica, los cuerpos solo pueden cambiar de fase a una temperatura bien definida llamada “temperatura crítica” o “punto crítico”; en el caso del hielo, por ejemplo, la temperatura a la cual logra fundirse, es decir, su punto crítico de fusión, es 0 [ºC]. 2. Estando en su punto crítico, para que cada gramo del material pueda cambiar de fase se debe ceder o extraer una cantidad de calor Q por unidad de masa m, llamada calor latente de cambio de fase “L”. El calor latente de cambio de fase se expresa como L = ± Q m 3. Durante un cambio de fase la temperatura del material permanece constante. Por ejemplo, en el caso del hielo, al comenzar a fundirse se encuentra a 0 [ºC] y el agua que se obtendrá, una vez que se haya fundido por completo, estará también a 0 [ºC], ya que durante todo el proceso de fusión la temperatura se mantiene constante. 4. El calor latente absorbido o liberado por un cuerpo al cambiar de fase es el mismo que requiere liberar o absorber, respectivamente, para revertir dicho cambio. Observación El agua (a 1 atm) Calor latente de fusión: 80 cal g Calor latente de vaporización: 540 cal g 12 12 Cpech GUÍA bA c Glosario to, y la cantidad de materia en un obje Masa: Magnitud física que expresa gramo [kg]. el Sistema Internacional es el kilo cuya unidad de medida en ta a un cuerpo sonido, se transmi o, como por ejemplo el calor o el Aislar: Impedir que un agente físic arado de otras cosas. o a un lugar. Dejar algo solo y sep n químicamente, entes unidos, sin que se combine pon com más o dos por ado Mezcla: Material form una taza de café a la que s ni características. Por ejemplo, ade pied pro sus den pier no s por lo que esto “café dulce”. se le adiciona azúcar, quedando a lo o estudio en particular, par o que se considera para un análisis Sistema: Porción del universo físic erso, de forma real o imaginaria. cual se la separa del resto del univ re ejerce el aire de la atmósfera sob o (por unidad de superficie) que Presión atmosférica: Es el pes . todos los objetos inmersos en ella Cpech 13 FÍSICA Mis apuntes 14 14 Cpech GUÍA Mis apuntes Cpech 15 Registro de propiedad intelectual de Cpech. Prohibida su reproducción total o parcial.